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Grüne Embedded-Systeme

Grüne Embedded-Systeme

Eingebettete Systeme sind weit verbreitet, entsprechend summieren sich auch die Einsparungen beim Verbrauch der Rechner. Doch die Einführung energiesparender Gerätegenerationen könnte an den Mehrkosten für die Hersteller scheitern.

Bild: Fraunhofer IIS/ARM

So genannte ‚Embedded Systems‘ finden sich in zahlreichen Geräten, vom Fernseher bis zu Automatisierungskomponenten der Produktionstechnik. Das Schlagwort ‚Eingebettetes System‘ bezeichnet einen Rechner, der aus Hard- und Softwarekomponenten besteht und eine festgelegte Aufgabe in einem technischen Umfeld erledigt. Gerade die große Verbreitung dieser Komponenten bietet signifikantes Potenzial für Energieeinsparungen. Reduziert man etwa die elektrische Leistungsaufnahme eines kontinuierlich laufenden DSL-Routers um ein Watt, so lassen sich bei einer Million Geräte 8,8 Millionen Kilowattstunden pro Jahr einsparen. Das entspricht der Energiemenge, die zwei mittelgroße Biogaskraftwerke in der gleichen Zeit erzeugen.

Powermanagement in eingebetteten Systemen

Ziel von ‚Green Embedded Systems‘ ist es, die Energieaufnahme sowohl im Regelbetrieb als auch im Standby deutlich zu reduzieren, ohne dass der Benutzer Einschränkungen in Funktionalität oder Leistungsfähigkeit hinnehmen muss. Es gibt drei Hauptansatzpunkte, um die Energieeffizienz eines eingebetteten Systems zu steigern:

Für die Energieeffizienz des eingebetteten Systems spielt bereits die Auswahl der Hardwarekomponenten eine entscheidende Rolle. Das Einsparpotenzial, das im Hardwaredesign nicht genutzt wurde, kann auch durch Powermanagement im Bereich des Betriebssystems und der eigentlichen Systemanwendung kaum kompensiert werden. In den letzten Jahren konnten die Halbleiterhersteller Komponenten wie Prozessoren, Speicher und Kommunikationsschnittstellen hinsichtlich der Energieaufnahme deutlich optimieren. Eine besondere Rolle spielt dabei der Speicher. Im Gegensatz zum PC-Bereich verbrauchen Speicherbausteine in eingebetteten Systemen je nach Typ mindestens ebenso viel Energie wie der Prozessor.

Insbesondere die Beliebtheit von Embedded Linux als Betriebssystem mit seinem erhöhten Ressourcenbedarf erfordert häufig mehr Speicherplatz und erhöht somit den Energieverbrauch. Meist scheitert ein energieeffizientes Hardwaredesign auch an mangelnder Verfügbarkeit und den hohen Kosten passender Speichertypen. Auch das Netzteildesign trägt einen entscheidenden Anteil an der Energieaufnahme eines eingebetteten Systems. Moderne elektronische Bauelemente benötigen eine Vielzahl verschiedener Spannungen, die aus Kostengründen meist aus einer festen Spannung abgeleitet werden. Für solche Netzteilstrukturen spielt neben der richtigen Architektur vor allem die Auswahl effizienter Spannungsregler eine große Rolle.

Powermanagement im Betriebssystem

Das Energiesparpotenzial im Softwarebereich hängt grundlegend davon ab, wie viel das System innerhalb eines Zeitraums leisten muss. Kontinuierlicher Volllast-Betrieb unter Nutzung aller Kommunikationsschnittstellen verhindert häufig eine signifikante Einsparung bei der Energieaufnahme. Batteriebetriebene eingebettete Systeme mit einer garantierten Laufzeit von zehn Jahren befinden sich den größten Teil der Zeit im energiesparenden Standby-Betrieb. Nur während einer kurzen Aktivitätsperiode, für die sie aus dem Ruhezustand ‚aufwachen‘, führen sie ihre eigentliche Aufgabe aus. Komplexe und leistungsfähige Systeme verhalten sich vergleichbar. Allerdings ergeben sich bei diesen Anwendungen kaum Phasen, in denen über einen längeren Zeitraum die komplette Verarbeitung abgeschaltet werden kann.

Diese Applikationen erfordern andere Strategien zur Energieeinsparung. So reduziert das Powermanagement bei einem geringeren Bedarf an aktueller Prozessorleistung zuerst die Taktfrequenz des Prozessors. In einem nächsten Schritt lässt sich dann die Versorgungsspannung des Prozessors herunter regeln. Eine alternative Lösung bietet das gezielte Umschalten des Prozessors zwischen Standby- und Volllast-Betrieb. Leider weisen nur neuere Controller eine geeignete Architektur auf, um diese Schaltvorgänge in wenigen Taktzyklen effizient und automatisiert durchzuführen. Eine besondere Rolle für die Beeinflussung von Prozessorbetriebsarten, -takt oder -spannung spielt die interne Zyklusrate des Betriebssystems. Embedded Linux hat in der Regel eine Zykluszeit von zehn Millisekunden. Nur in diesem Zeitraster kann es Powermanagementfunktionen steuern.

Dagegen bietet ein am Fraunhofer IIS speziell für Energieeffizienz ausgelegtes und funktional erweitertes Echtzeitbetriebssystem Reaktionszeiten von einer Millisekunde. So kann auch bei Inaktivitäten im Bereich einer Millisekunde der Controller gezielt in den Low-Power-Betrieb versetzt werden, woraus sich weitere Energieparmöglichkeiten für das System ergeben.

Powermanagement in der Applikation

Während das Betriebssystem Powermanagement-Entscheidungen aufgrund der aktuellen Prozessorauslastung treffen muss, kann der Programmierer auf der Anwendungsseite seine Systemkenntnis für eine effektive Steuerung nutzen. Er weiß, welche Systemressourcen zu welchem Zeitpunkt benötigt werden. Bei Nichtnutzung kann er energieintensive Schnittstellen oder andere Systemressourcen gezielt deaktivieren.

Green Embedded Systems im praktischen Einsatz

Um die verschiedenen Einsparmaßnahmen besser beurteilen zu können, ist am Fraunhofer IIS eine energieoptimierte Hard- und Softwareplattform als ‚Green Embedded System‘ entstanden. Die Hardware basiert auf einem 32-Bit-ARM9-Prozessor mit einer Taktfrequenz von 266 Megahertz. Für Daten stehen 128 Megabbyte Arbeitsspeicher und 512 Megabyte Flash-Speicher zur Verfügung. An Schnittstellen finden sich zwei Ethernet-Ports, zwei CAN-Schnittstellen sowie je ein USB- und Bluetooth-Interface. Die maximale Energieaufnahme der Hardware liegt unter einem Watt. Vergleichbare kommerziell erhältliche Systeme verbrauchen bei dieser Rechenleistung zwischen drei und fünf Watt.

Für die Hardware-Plattform stehen zwei unterschiedliche Betriebssystemvarianten zur Verfügung. Eine handelsübliche Linux-Distribution definiert das Verbrauchsverhalten aktueller Systeme. Die zweite Version basiert auf der Green-Embedded-System-Technologie des Fraunhofer IIS. Dafür wird das Echtzeitbetriebssystem Ecos eingesetzt, das um ein spezielles Powermanagement ergänzt wurde. Für den Vergleich von Leistung und Verbrauch laufen auf beiden Plattformen identische Anwendungen. Diese setzen sich zusammen aus einer Java Virtual Machine und einer Java-Applikation, die eine Animation berechnet. Die jeweils erzielte maximale Bildrate dient als Bewertungsmaßstab für die Leistungsfähigkeit.

Bereits unter Volllast des Prozessors zeigt sich, dass die auf Embedded Linux basierende Anwendung im Vergleich zum Green Embedded System um 33 Prozent langsamer läuft und 6,5 Prozent mehr Energie verbraucht. Der Mehrverbrauch lässt sich auf die intensivere Nutzung der Memory Management Unit des Prozessors durch das Linux-System zurückführen. Nach dem Angleichen der Verarbeitungsleistung des Green Embedded Systems an die Linux-Lösung durch Reduzierung des Takts um 33 Prozent ergibt sich eine abweichende Energieaufnahme von 17 Prozent. Noch signifikanter fallen die Unterschiede bei Nutzung der Powermanagementfunktionen aus.

Eine Frage der Kosten

Durch technische Maßnahmen lassen sich auch auf eingebetteten Systemen merkliche Energieeinsparungen erreichen. Doch die Reduktion fällt im Vergleich zum Verbrauch des Endgeräts meist gering aus und wird deshalb selten umgesetzt. Hinzu kommen vielfach höheren Hard- und Softwarekosten. Nur bei Geräten, bei denen ein absolut minimaler Energieverbrauch notwendig ist, etwa bei mobilen batteriebetriebenen Systemen, wird der Mehraufwand vom Hersteller akzeptiert.

Auch der Open-Source-Ansatz drückt die Lizenzkosten und damit den Gerätepreis, ein durch vorhandene Softwaremodule verkürzter Entwicklungszyklus beschleunigt zudem die Markteinführung eines Geräts. Letztendlich werden Green Embedded Systems nur dann eingeführt werden, wenn die Verwendung per Gesetz oder Norm vorgeschrieben ist, die Energieeffizienz als Kaufargument zählt oder aufgrund großer Stückzahlen eine beachtliche Energieeinsparung entsteht.